DS10 - Défi de tous les savoirs

Mechanisms and frequency of virus-mediated horizontal transfer of genetic material between animals – TransVir

Les virus transfèrent-ils de l’ADN entre espèces animales ?

Les transferts horizontaux (TH) correspondent à la transmission d’ADN entre organismes non nécessairement apparentés, sans reproduction. Si un grand nombre de TH ont été caractérisés chez les eucaryotes, on ne sait toujours pas comment ces transferts se produisent. Ce projet vise à tester l’hypothèse selon laquelle les virus pourraient être des vecteurs efficaces de TH entre animaux.

Disséquer les différentes étapes d’un transfert horizontal entre insectes via un vecteur viral

L’hypothèse selon laquelle les virus pourraient véhiculer de l’ADN d’un organisme à un autre est posée de manière récurrente dans les études rapportant des cas de TH entre eucaryotes. Elle n’a cependant jamais été formellement testée expérimentalement. Ce projet vise à analyser les différentes étapes moléculaires impliquées dans un tel transfert, i.e., un premier TH d’insecte à virus suivi d’un second TH de virus à insecte. De récentes études soulignent l’importance jusqu’ici insoupçonnée des TH de matériel génétique dans l’évolution des génomes d’eucaryotes, et notamment d’animaux. Certains virus comme le baculovirus AcMNPV sont utilisés en lutte biologique contre des chenilles ravageuses de cultures. Savoir si des virus sont impliqués dans les TH comme vecteurs représente donc un enjeu en terme de recherche fondamentale, mais pas seulement. L’estimation de la fréquence naturelle des TH entre insectes via des vecteurs viraux fournira des bases solides permettant d’évaluer d’éventuels risques environnementaux liés à l’utilisation des baculovirus comme biopesticides.

Ici nous proposons tout d’abord d’évaluer la fréquence et la nature des séquences impliquées dans les TH entre animaux et virus en utilisant plusieurs systèmes hôte/virus (baculovirus/papillons ; iridovirus/cloportes ; iridovirus/drosophiles) et grâce à des méthodes de séquençage à très haut débit. Par la suite, nous envisageons de générer des TH entre insectes via un virus en conditions contrôlées au laboratoire grâce à des expériences d’évolution expérimentale. Enfin nous envisageons d’évaluer les mécanismes et les facteurs influençant les TH d’hôtes à virus. Pour cela nous séquencerons des populations de génomes viraux grâce à une des dernières technologies de séquençage permettant l’obtention de longues lectures de séquences (PacBio). Nous évaluerons également l’impact du stress généré par l’infection virale sur l’expression des séquences génomiques répétées de l’hôtes, qui sont typiquement trouvées en grand nombre dans les génomes viraux. Le séquençage à très haut débit des génomes viraux devrait nous permettre de détecter des insertions de séquences hôtes présentes en très faible fréquence dans les populations virales. L’analyse du contexte génomique des insertions hôtes permettra d’inférer le détail des mécanismes impliqués dans l’intégration de ces séquences dans les génomes viraux.

Dans le cadre du WP3, nous avons procédé à une analyse poussée des longs reads de séquençage du génome du baculovirus AcMNPV obtenus grâce à la technologie PacBio. Nous avons identifié 564 éléments transposables (ET) complets intégrés dans le génome d’AcMNPV. Ces données confirment et étendent les résultats obtenus précédemment grâce au séquençage de reads courts. Elles montrent notamment que la totalité des séquences d’ET est bien intégrée dans les génomes viraux par transposition canonique, et que ces ET possèdent donc toutes les caractéristiques qui pourraient leur permettre de sauter du virus au génome d’un autre hôte.

En utilisant un jeu de données RNA-seq de AcMNPV publié (Chen et al. 2013), nous avons cherché à savoir si les ET intégrés dans ce virus étaient bien actifs, et donc transcrits. Nos résultats montrent que 3 ET identifiés dans ce jeu de données sont transcrits, dont un (l’élément PiggyBac TFP3) présente un niveau d’expression comparable à de nombreux gènes viraux.

Par ailleurs, nos recherches d’ET intégrés dans un génome viral à ARN, celui du virus de la dengue se sont avérées négatives. Nous n’avons pas pu mettre en évidence d’ET de moustiques dans les populations de génomes de la dengue répliqués en cultures cellulaires. Par ailleurs, nous avons conclu que si des TH d’ET de moustique au virus de la dengue se produisaient dans la nature, ceux-ci devaient probablement être très rares. Ce projet, réalisé en collaboration avec Louis Lambrechts (Institut Pasteur, Paris) a néanmoins permis de caractériser les propriétés des chimères artéfactuelles qui se produisent assez fréquemment lors de l’étape de PCR incluse dans le protocole de préparation des banques de séquençage haut débit.

Dès le début de sa deuxième année de thèse, Vincent Loiseau, recruté le 1er octobre 2017 sur ce contrat ANR, va démarrer une expérience visant à récapituler des TH d’ET entre insectes via le virus AcMNPV. Pour cela il va comme prévu dans le projet transformer un baculovirus avec un ET cloné à partir du génome de Trichoplusia ni, il va ensuite infecter des chenilles du shpinx du tabac (M. sexta) avec ce virus transformé, croiser les adultes issus de chenilles ayant résister au parasitisme, et chercher par PCR l’ET de T. ni dans la F1 de M. sexta.
Par ailleurs nous allons séquencer et analyses le génome de populations du virus IIV6 répliqués sur les papillons Chilo partellus et Sesamia nonagrioides.

Nous avons publié 3 articles issus de ce projet depuis juillet 2017, dont un article de recherche (dans G3) et deux articles de synthèse dans Bioessays et Curr. Opin. Genet. Dev. Les résultats obtenus ont aussi été présentés au cours d’une conférence internationale et une conférence nationale.

Horizontal transfer (HT) of genetic material is the transmission of DNA between organisms by means other than reproduction. Hundreds of such transfers have recently been uncovered in animals and it is now becoming clear that HT has an important impact on animal genome evolution. Yet, the vectors and mechanisms underlying HT between animals are still poorly known. In this project we will carry out the first systematic study of HT from animal host-to-virus in order to characterize the mechanisms involved in these transfers and assess their frequency during the course of a viral infection. We will also use experimental evolution to recapitulate virus-mediated HT between animals. The project is divided in three independent but complementary work packages (WP), each aiming at deciphering one or several aspects of a successful virus-mediated HT event. In WP1we will use a population genomics approach to identify junctions between virus and host genomes in ultra-deep sequencing datasets of virus genomes sequenced at depths >100,000X after in vivo infections of various host species. We will apply our approach to populations of two large double stranded DNA viruses: the Autographa californica Multiple NucleoPolyhedroVirus (AcMNPV) baculovirus, obtained after infections of four species of lepidopterans and the invertebrate iridescent virus (IIV iridovirus) obtained after infections of a fly and of a terrestrial isopod crustacean. In WP2 we will first assess the frequency of virus-to-host germline HT using a recombinant AcMNPV containing a moth transposable element capable of jumping from the virus to its host genome. Based on the results of this experiment we will then recapitulate events of donor-to-virus-to-receiver HT using wild type viruses. In WP3 we will characterize the mechanisms and factors influencing virus-mediated HT between animals. Specifically we will use RNA-seq of infected host species to test the hypothesis according to which the stress generated by viral infections unleashed the activity of host transposable elements, which tend to integrate more than other sequences into viral genomes.

This project will characterize the full spectrum of host sequences that can become integrated in viral genomes during in vivo infections of animal hosts. In terms of basic science, we will make crucial advances in our understanding of HT between animals, of animal and viral genome evolution, and of the interactions between viruses and their animal hosts. In addition, baculoviruses are being used/developed as tools in various biological pest control strategies and in medical treatments such as gene therapy. The possibility that baculovirus-based applications are accompanied by high levels of baculovirus-mediated HT between the species in which a baculovirus-based vector was produced (moth cell lines or larvae) and a target species (the same or a different insect species in the wild for biopesticides; human for gene vectors) has never been considered nor investigated. Our project will therefore also have important consequences in terms of applied research as it will provide a solid basis for further evaluating the safety of baculoviruses as tools in biotechnological applications.

Project coordinator

Monsieur Clément Gilbert (Ecologie et Biologie des Interactions)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

CNRS
EBI-CNRS Ecologie et Biologie des Interactions

Help of the ANR 238,731 euros
Beginning and duration of the scientific project: October 2015 - 48 Months

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